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气体涡轮流量计的结构及特征参数

发布时间:2017-12-14
 

气体涡轮流量计是一种速度式流量计,具有重复性好、量程范围宽、适应性强、输出脉冲信号等特点,近年来已在石油、化工和天然气等领域获得了广泛应用。流量计的性能对工业发展有着极为关键的作用,因此,通过优化流量计结构来提高其计量性能,一直是流量测量领域的研究热点问题。
通过优化涡轮流量计的表体结构,扩大了流量计的测量范围。Svedin研制了静态叶轮涡轮流量计,降低了流量计的压损。叶轮的多参数定量优化方法,针对15mm口径的传感器确定了一组能够实现黏度不敏感的几何参数。郭素娜等研究了叶轮参数对涡轮传感器性能的影响,确定了叶片切角参数为0.25时传感器性能最佳。
前人的工作主要集中在对叶轮部分的优化,对其它结构的研究相对较少。前导流器作为涡轮流量计的主要组件之一,具有整形流场、压缩流体、导向流动、创造充分发展的速度分布的作用。整流效果直接影响流量计的品质优劣。因此,前导流器的结构优化对于提高涡轮流量计性能具有重要意义。
CFD数值模拟已经成为预测传感器性能、研究涡轮流量计内部流场信息的有效方法。本研究以气体涡轮流量计前流器为优化对象,通过Fluent软件对不同前导流器结构的涡轮流量计内部流场进行仿真分析,引入了流场均匀性指数来评价前导流器的整流效果,给出了针对前导流器部件的优化建议,并且通过实验验证了优化方案。
2 涡轮流量计简介及优化评价指标
2.1结构及特征参数
气体涡轮流量计的主要组件包括前导流器、叶轮、后导流件等,其结构简图如图1所示。

前导流器的主要特征参数有: 导流器直径、导流体长度、导流器叶片数目、导流叶片长度。
2.2工作原理
气体涡轮流量计的工作原理: 气体流过流量计推动涡轮叶片旋转,叶片转速与流体流速成正比,通过测量转速来得到流速,进而得到管道内的流量值。待测体积流量qv与输出脉冲频率f的关系式为:

式中: K指流量计的仪表系数。
根据运动定律建立涡轮的运动方程为

式中: J为涡轮的转动惯量;ω为涡轮的旋转角速度,t为时间,Tr为气流对叶片的推动力矩,Trm为机械摩擦力矩,Trf为流动阻力矩,Tre为电磁阻力矩。
2.3优化评价指标
本文选取数值模拟过程中的定性指标和实验测得的定量指标作为优化评价指标,从仿真与实验两方面综合评价优化结果。
2.3.1流场均匀性指数
气体涡轮流量计作为速度式流量计,是在气流入口处接近平均速度轮廓的条件下设计和标定的。要想达到准确计量的目的,应当使叶轮处气流的速度场尽量均匀。当气体来流的速度场紊乱时,气流对涡轮叶片的推动力矩Tr随之紊乱,导致叶片发生震颤,计量性能变差,严重时造成叶片与轮轴间磨损失效。而前导流器的作用就是整形流场,使气体流速均匀,故引入流场均匀性指数作为优化评价指标。
均匀性指数γ描述了指定表面上指定物理量的变化情况,γ取[0,1],γ越大表示均匀性越好。均匀性指数采用面积进行衡量: 面积加权均匀性指数γα。
面积加权均匀性指数(γα) ,利用下式进行计算:

从均匀性指数的定义可以看出,当指定物理量为速度时,γα表示流场速度分布均匀性。面积加权均匀性指数在数值模拟中均可由程序自身提供,这样大大提高了计算的便捷性。因此,在数值模拟中用γα评价截面的流动均匀性具有明显的优势。
2.3.2计量性能指标
基于气体涡轮流量计的工作原理,依据涡轮流量计的检定规程,确定了涡轮流量计的计量性能指标: 仪表系数、线性度、重复性以及压力损失。
1)仪表系数K,依据规程按下式计算:

式中: (Ki)max、(Ki)min分别指在整个流量范围内,各流量点仪表系数的最大值和最小值。
2)重复性Er,依据规程按下式计算:

式中: (Er)i为第i个流量点的重复性误差;Eij为第i个流量点第j次测量的相对示值误差,%;Ei为第i个流量点的平均相对示值误差,% 。
重复性是评价仪器稳定的重要指标,重复性越高说明流量计稳定性越好。
3)线性度δ,依据规程按下式计算:

4)压力损失Δp,依据规程规定为流量计入口上游1DN和出口下游1DN的两点间的压力差值。较小的压力损失可减少输运气体的能量消耗,降低运输成本。所以将压损作为优化评价的一个重要指标。